蕪湖長江公鐵大橋強(qiáng)箱弱桁組合結(jié)構(gòu)鋼主梁懸臂架設(shè)技術(shù)

李旭，劉愛林

（1.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050；2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430034）

0 引言

隨著跨越長江的橋位資源稀缺程度增加，上下分層的鋼主梁斜拉橋因其2層均能通行的優(yōu)勢，越來越受到橋梁設(shè)計(jì)者青睞，成為首選方案。在鋼主梁斜拉橋中，不設(shè)豎桿的鋼主梁結(jié)構(gòu)具有桿件數(shù)量及拼接節(jié)點(diǎn)少、通透性好、景觀效果突出等特點(diǎn)，成為一種合理的斜拉橋鋼主梁結(jié)構(gòu)。

常規(guī)鋼主梁采用散拼法［1］、桁片法［2］、整節(jié)間法［3］等懸臂架設(shè)技術(shù)進(jìn)行安裝。既有鋼主梁借助全回轉(zhuǎn)架梁吊機(jī)安裝，采用散件懸臂架設(shè)技術(shù)［1］。既有方法不僅存在鋼主梁單元件接頭數(shù)量多、現(xiàn)場組拼工程量大、多次起吊、效率低造成施工周期長等不利因素，還存在全回轉(zhuǎn)架梁吊機(jī)參數(shù)需求高、經(jīng)濟(jì)性差等缺點(diǎn)。

因此，關(guān)于斜拉橋鋼主梁的安裝，雖然目前理論與實(shí)證成果較豐富，但適用于強(qiáng)箱弱桁組合結(jié)構(gòu)的鋼主梁懸臂安裝成果仍較少，如何在不影響施工速度的前提下，在鋼主梁的施工效率和施工成本之間找到最佳平衡點(diǎn)，是目前強(qiáng)箱弱桁組合結(jié)構(gòu)鋼主梁亟待解決的問題。

1 概述

新建商合杭高鐵蕪湖長江公鐵大橋是已建商丘—合肥—杭州高鐵及蕪湖城市跨江交通骨干網(wǎng)的重要組成部分，大橋主橋?yàn)椋?9.3+238.0+588.0+224.0+85.3）m鋼箱板桁組合梁高低矮塔斜拉橋［4］，為世界首座高低矮塔公鐵兩用斜拉橋，全長1 234.6 m。蕪湖長江公鐵大橋主橋總體布置見圖1。

圖1 蕪湖長江公鐵大橋主橋總體布置

大橋鋼主梁由上層公路梁+下層鐵路梁組成，桁高15.0 m，節(jié)點(diǎn)間距14.0 m，橫向設(shè)置2片主桁（中間僅為單獨(dú)豎桿）。上層公路梁為板桁組合，由箱型截面弦桿+正交異性板橋面組成；下層鐵路梁為整鋼箱梁，是由兩側(cè)邊鋼箱梁弦桿及橫隔板、頂?shù)装褰M成的橋面系整鋼箱結(jié)構(gòu)。腹桿有箱型和H型2種截面形式［4］。蕪湖長江公鐵大橋主橋鋼主梁橫斷面見圖2。

圖2 蕪湖長江公鐵大橋主橋鋼主梁橫斷面

腹桿與上下弦桿間采用焊接整體節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之外用高強(qiáng)度螺栓拼接。弦桿、橋面采用栓接+焊接連接形式。各桿件間連接示意見圖3。

圖3 各桿件間連接示意圖

2 鋼主梁架設(shè)總體方案

2.1 鋼主梁安裝難點(diǎn)

結(jié)合鋼主梁安裝外部條件、影響因素及鋼主梁結(jié)構(gòu)，蕪湖長江公鐵大橋鋼主梁安裝難點(diǎn)如下：

（1）主橋鋼主梁總質(zhì)量8.4萬t，鐵路梁共計(jì)90個(gè)節(jié)段（含合龍段），公路梁共計(jì)94個(gè)節(jié)段（含合龍段），節(jié)段數(shù)量多。

（2）除邊墩墩頂、主墩墩頂、合龍段外，鐵路梁、公路梁縱向分段長度均為14.0 m，下層鐵路梁橫向?qū)挾葹?2.5 m，上層公路梁橫向?qū)挾葹?5.2 m，節(jié)段梁幾何尺寸大；常水位為+3.0 m，上層公路梁安裝高程為+64.0 m，節(jié)段梁吊裝高度需求大。因此，鋼主梁安裝設(shè)備應(yīng)滿足較大的吊距、較高的吊裝高度。

（3）鐵路梁最大節(jié)段質(zhì)量達(dá)817.8 t，公路梁最大節(jié)段質(zhì)量達(dá)344.5 t，整節(jié)段的鐵路梁、公路梁合計(jì)質(zhì)量達(dá)1 186.5 t，起吊質(zhì)量大，安裝要求高。

2.2 鋼主梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

查閱既有工程實(shí)例［5-6］，在大跨度矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)中，主梁受力特點(diǎn)為：小傾角的拉索向主梁提供較大的軸向壓力，受力以梁為主、索為輔，梁體高度與跨度之比較大，軸向壓力大約是同等跨徑梁式橋的1/2或斜拉橋的2倍，需要主梁提供的剛度較大。除常規(guī)矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外，蕪湖長江公鐵大橋跨度更大（主跨588.0 m）、鐵路重載線路更多（4線）、橋塔更矮（低塔僅高133.5 m）、索更平（跨中尾索傾角僅14.6°）等因素導(dǎo)致主梁軸力更大，主梁受力要求更高，因此該橋主梁設(shè)計(jì)為鋼箱與鋼主梁的組合結(jié)構(gòu)，幾何尺寸剛度大、整體性好。相較于常規(guī)的鋼主梁節(jié)段，該橋鋼主梁在結(jié)構(gòu)上有如下特點(diǎn)：

（1）下層鐵路梁為兩側(cè)邊鋼箱梁及鐵路橋面組成的整鋼箱結(jié)構(gòu)，截面尺寸大、剛度大、質(zhì)量大。

（2）上層公路梁為兩側(cè)邊鋼箱梁及中間正交異性板橋面組成的結(jié)構(gòu)，截面尺寸小、質(zhì)量小。

（3）三角式主桁上層梁段拼接口較下層梁段拼接口沿拼裝方向多伸出6.2 m，即安裝時(shí)上層節(jié)段吊距較下層節(jié)段大。

上述強(qiáng)箱弱桁組合結(jié)構(gòu)鋼主梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為主梁懸臂架設(shè)提供了較有利條件：下層鐵路梁質(zhì)量大、吊距?。簧蠈庸妨嘿|(zhì)量小、吊距大。如果采用上下分層安裝的方案，則需求的起重力矩基本一致，如此可最大程度地減小懸臂架設(shè)所需力矩。

2.3 鋼主梁安裝總體方案

蕪湖長江公鐵大橋鋼主梁安裝盡可能多的節(jié)段采用懸臂架設(shè)，可簡化架梁工序，減少臨時(shí)結(jié)構(gòu)用量，降低浮吊使用需求。因此鋼主梁安裝總體方案［7-8］為：除墩頂節(jié)段采用浮吊架設(shè)（或輔助架設(shè)）外，主跨、輔助跨、邊跨其余節(jié)段均采用架梁吊機(jī)懸臂架設(shè)。合龍口僅在主跨跨中設(shè)置1處，待其余節(jié)段懸臂架設(shè)完成后，按先下層鐵路梁后上層公路梁的順序合龍鋼主梁。鋼主梁架設(shè)總體方案見圖4。

圖4 鋼主梁架設(shè)總體方案

3 分層變幅懸臂架設(shè)技術(shù)

分析既有強(qiáng)箱弱桁組合結(jié)構(gòu)鋼主梁懸臂架設(shè)實(shí)例，常規(guī)懸臂架設(shè)采用的方案為：整節(jié)段懸臂安裝［9-11］；先安裝下層鋼箱梁，鋼箱梁合龍后，在其頂面分組安裝鋼主梁［12］。整節(jié)段懸臂安裝方案架梁吊機(jī)支點(diǎn)反力大，對鋼主梁桿件要求高，適用于節(jié)段尺寸大而質(zhì)量較輕的鋼主梁懸臂架設(shè)；先安裝下層鋼箱梁，鋼箱梁合龍后，在其頂面分組安裝上層桁梁的懸臂架設(shè)方案，因桁梁及腹桿滯后安裝，調(diào)整拼接難度相對較大、對鋼主梁線形控制影響較大、且工期較長，適用于帶加勁桁的箱型主梁結(jié)構(gòu)。

結(jié)合上述2種架設(shè)方案的優(yōu)點(diǎn)，蕪湖長江公鐵大橋擬采用分層變幅懸臂架設(shè)，即變幅式架梁吊機(jī)站位于上層公路梁弦桿節(jié)點(diǎn)，先下層鐵路梁后上層公路梁的分層安裝方案。架梁吊機(jī)變幅幅度5～22 m，最大起升高度85 m。架梁吊機(jī)吊裝示意見圖5。

圖5 架梁吊機(jī)吊裝示意圖

懸臂架設(shè)節(jié)段梁安裝步驟為：

步驟1：架梁吊機(jī)走行至第n節(jié)段上方，前點(diǎn)支起、后點(diǎn)錨固，起吊第n+1節(jié)段的鐵路梁節(jié)段（含斜桿及中豎桿）。第n節(jié)段斜拉索上橋，同步進(jìn)行塔端安裝、展索。步驟1鐵路梁起吊示意見圖6。

圖6 步驟1鐵路梁起吊示意圖

步驟2：對位第n、n+1節(jié)段下弦桿，并上沖釘、高栓，第n+1節(jié)段后斜桿上對位并上沖釘、高栓，架梁吊機(jī)松鉤，同步進(jìn)行第n節(jié)段斜拉索軟牽引。

步驟3：吊機(jī)向前變幅，起吊第n+1公路梁節(jié)段，避開已裝鐵路梁及前斜桿后吊機(jī)收幅到位，對位第n+1節(jié)段上弦桿，并上沖釘、高栓。同步進(jìn)行第n節(jié)段斜拉索軟牽引。步驟3公路梁吊裝示意見圖7。

圖7 步驟3公路梁吊裝示意圖

步驟4：第n+1節(jié)段前斜桿對位，上沖釘、高栓臨時(shí)連接，架梁吊機(jī)松鉤。同步繼續(xù)進(jìn)行第n節(jié)段斜拉索軟、硬牽引。

步驟5：節(jié)段上、下弦桿間連接處沖釘換高栓，初擰、終擰；斜桿及中豎桿高栓施擰；節(jié)段上、下弦桿間連接處采用焊縫連接；鐵路、公路橋面栓接及焊接施工。節(jié)段間連接施工完成后進(jìn)行第n節(jié)段斜拉索張拉。

4 懸臂架設(shè)結(jié)構(gòu)受力分析

4.1 控制工況

分析上述施工步驟，節(jié)段梁懸臂架設(shè)控制工況及關(guān)注要點(diǎn)見表1。

表1 節(jié)段梁懸臂架設(shè)控制工況及關(guān)注要點(diǎn)

4.2 鋼主梁桿件受力

4.2.1 桿件組合應(yīng)力分析

懸臂架設(shè)各控制工況架梁吊機(jī)支反力、待架節(jié)段自質(zhì)量荷載作用于已架節(jié)段上，各桿件組合應(yīng)力最大值見表2。

表2數(shù)據(jù)顯示，各工況下，鋼主梁桿件應(yīng)力水平合理，達(dá)到充分利用主體結(jié)構(gòu)的目的。除吊機(jī)站位處外，不需對已架節(jié)段桿件進(jìn)行額外加固。

表2 各桿件組合應(yīng)力最大值 MPa

4.2.2 主桁腹桿穩(wěn)定性分析

以施工階段模擬計(jì)算，分析箱形、工字形截面2類腹桿受壓最不利工況，并進(jìn)行穩(wěn)定性分析。其中工字形截面腹桿選取截面面積最小的腹桿、箱形截面腹桿選取吊質(zhì)量最大處的腹桿。計(jì)算腹桿截面見圖8。

圖8 計(jì)算腹桿截面

經(jīng)規(guī)范［10］計(jì)算，截面面積最小的工字形截面腹桿穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果為117.2 MPa，吊質(zhì)量最大處的箱形截面腹桿穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果為49.3 MPa，懸臂架設(shè)階段主橋桿件Q370qE（按最不利）容許應(yīng)力146.2 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.3 桿件臨時(shí)連接設(shè)計(jì)

懸臂架設(shè)時(shí)，桿件臨時(shí)連接先采用45#鋼φ32.8沖釘定位，再以初擰M30高栓替換先期打入的沖釘，最后將所有初擰高栓終擰。臨時(shí)連接計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 臨時(shí)連接計(jì)算結(jié)果 個(gè)/桁

表3計(jì)算僅為桿件受力所需最少?zèng)_釘（螺栓）個(gè)數(shù)，按規(guī)范要求，沖釘施工時(shí)應(yīng)至少打入孔數(shù)的50%，高栓換沖釘過程中應(yīng)至少占孔數(shù)的30%。因此按規(guī)范百分比施工沖釘、高栓滿足受力要求，但在頂?shù)装?、腹板處的個(gè)數(shù)分布應(yīng)確保最少所需的個(gè)數(shù)。

5 梁段安裝線形控制及桿件拼接口位移調(diào)整措施

5.1 梁段安裝線形控制措施

上述懸臂架設(shè)節(jié)段梁安裝過程中，線形控制總體思路是：根據(jù)梁段制造、預(yù)拼裝參數(shù)，橋面臨時(shí)荷載布置及上一梁段的施工誤差分析結(jié)果，修正調(diào)整計(jì)算模型，提出本階段梁段安裝線形要求，下發(fā)待架梁段的工廠內(nèi)匹配調(diào)整文件，待架梁段經(jīng)匹配調(diào)整運(yùn)抵現(xiàn)場驗(yàn)收后借助架梁吊機(jī)進(jìn)行分層變幅安裝，隨后進(jìn)行高栓施擰及焊接施工。本階段梁段安裝完成后，進(jìn)行幾何、應(yīng)力、溫度、環(huán)境等參數(shù)測量，反饋結(jié)果，評價(jià)安裝效果并進(jìn)行誤差分析，繼續(xù)進(jìn)行下一輪次安裝。

5.2 桿件拼接口位移調(diào)整措施

分層變幅懸臂架設(shè)梁段過程中，涉及已架節(jié)段、待架節(jié)段桿件間對位拼接的有：工況2中已架節(jié)段梁與待架節(jié)段梁下弦桿間臨時(shí)連接；工況3中已架節(jié)段梁上弦桿與待架節(jié)段梁后斜桿間對位；工況5已架節(jié)段梁與待架節(jié)段梁上弦桿間臨時(shí)連接；工況6已架節(jié)段梁前斜桿與待架節(jié)段梁上弦桿間對位連接。采用措施前后鋼主梁架設(shè)拼接口豎向相對偏差見表4。

表4 采用措施前后鋼主梁架設(shè)拼接口豎向位移差 mm

工況2、工況5已架節(jié)段梁與待架節(jié)段梁下弦桿、上弦桿間臨時(shí)連接時(shí)，無需措施，起吊后可直接對位連接。工況3已架節(jié)段梁上弦桿與待架節(jié)段梁后斜桿、工況6已架節(jié)段梁前斜桿與待架節(jié)段梁上弦桿因弦桿先期已完成連接，在無措施的情況下二者間豎向位移差較大，采取措施后可滿足對位拼裝要求。

擬采取的拼裝措施為：鐵路弦桿及橋面臨時(shí)連接完成后，吊機(jī)松鉤50%吊質(zhì)量荷載，待架鐵路梁及其上的后斜桿下?lián)?，后斜桿與上弦桿間位移發(fā)生變化即可滿足對位精度要求。公路梁弦桿、橋面臨時(shí)連接完成后，吊機(jī)松鉤35%吊質(zhì)量荷載，待架公路梁下?lián)希舷覘U、前斜桿件位移發(fā)生變化即可滿足對位精度要求。前后斜桿橫橋向微小偏差通過倒鏈調(diào)整。橋面板高差通過碼板調(diào)整。經(jīng)采取吊機(jī)松鉤等拼裝調(diào)整措施后，拼接口兩側(cè)位移差不超過2 mm，滿足沖釘安裝條件即可進(jìn)行節(jié)段間連接。前述對位調(diào)整措施簡便有效，不需增加額外的大型設(shè)備和臨時(shí)結(jié)構(gòu)。

6 工期及經(jīng)濟(jì)性分析

按常規(guī)技術(shù)水平采用分層變幅懸臂架設(shè)技術(shù)架梁，單個(gè)節(jié)段懸臂架設(shè)所需工期約為10 d/節(jié)段，僅步驟1、2、5占用關(guān)鍵線路時(shí)間，其余不占用關(guān)鍵線路時(shí)間。關(guān)鍵線路上鋼主梁懸臂架設(shè)21個(gè)節(jié)段，共需210 d。

800 t變幅式吊機(jī)估價(jià)約850萬元/臺（按首次使用攤銷70%），全橋共需4臺；全橋吊機(jī)支腿處局部加固用鋼量約44 t（價(jià)格1.2萬元/t），全橋懸臂架設(shè)所需總投資約為2 433萬元。僅占8.4萬t鋼主梁總費(fèi)用的2.4%，經(jīng)濟(jì)性較高。

7 結(jié)論

基于蕪湖長江公鐵大橋強(qiáng)箱弱桁組合結(jié)構(gòu)鋼主梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出異于常規(guī)的變幅式吊機(jī)站位于上層公路節(jié)點(diǎn)，先下層鐵路梁后上層公路梁的懸臂架設(shè)方案。

在主梁結(jié)構(gòu)桿件的承載能力被充分利用、穩(wěn)定性滿足要求的前提下，先下層鐵路梁后上層公路梁的懸臂架設(shè)技術(shù)具有拼裝工序簡單、對位調(diào)整操作方便、工期短、投資小的優(yōu)點(diǎn)，以相當(dāng)于整節(jié)段吊裝架梁吊機(jī)投入的50%達(dá)到了整節(jié)段架設(shè)效率的80%，可為同類強(qiáng)箱弱桁組合結(jié)構(gòu)鋼主梁斜拉橋施工提供借鑒。